机构的再生创新

1、再生运动链法再生运动链法机构创新设计方法机构创新设计方法问题：设计摩托车后悬挂机构问题：设计摩托车后悬挂机构 机构运动方案创新机构运动方案创新 how?问题：设计摩托车后悬挂机构问题：设计摩托车后悬挂机构 本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni-trak 悬挂机构运动方案创新机构运动方案创新 how?本田本田 pro-link 悬挂悬挂五十铃五十铃 full-floater 悬挂悬挂川崎川崎 uni-trak 悬挂悬挂l具有七个运动副的平面六杆机构具有七个运动副的平面六杆机构 具有六个转动副和一个移动副具有六个转动副和一个移动副l包含一个机架（构件包含一

2、个机架（构件1 1）、一个转动臂（构件）、一个转动臂（构件2 2）、一个摆动）、一个摆动 臂（构件臂（构件3 3）、）、 一个连杆（构件一个连杆（构件4 4）、及一个由活塞和缸体（构件）、及一个由活塞和缸体（构件5 5和和6 6）组成的减震器。）组成的减震器。l单自由度机构单自由度机构 机构运动方案创新机构运动方案创新 how?方方案案集集34a1121a1111a1131a2111a2121a2131b1111b1121b2111b2121再生运动链法再生运动链法再生运动链法再生运动链法设计流程图设计流程图一、再生运动链法步骤一、再生运动链法步骤1.确定原始机构确定原始机构五十铃五十铃 fu

3、ll-floater 悬挂悬挂再生运动链法再生运动链法再生运动链法再生运动链法一般化运动链一般化运动链2.运动链一般化运动链一般化把原始机构转化为只含有简单转动副和连杆的运动链。把原始机构转化为只含有简单转动副和连杆的运动链。l原则原则l所有运动副转化为一般化（转动）运动副所有运动副转化为一般化（转动）运动副 l所有构件转化为一般化连杆所有构件转化为一般化连杆l一般化过程中自由度保持不变一般化过程中自由度保持不变l各构件与运动副的邻接关系保持不变各构件与运动副的邻接关系保持不变五十铃五十铃 full-floater 悬挂悬挂一般化图例o弹簧 II级杆件o滚动副 转动副o移动副 转动副o平面高副

4、 两个转动副o复合铰 简单铰步骤步骤1：解除机架解除机架五十铃五十铃 full-floater 悬挂悬挂1一般化运动链一般化运动链步骤步骤 2 2：所有运动副转化为一般化（转动）运动副所有运动副转化为一般化（转动）运动副 l 高副构件杆件化 凸轮机构、齿轮机构等高副机构通过高副低代变为瞬时 连杆机构。高副低代一般化高副低代一般化 一般化运动链一般化运动链l低副机构转化为转动副l复合铰链运动副单铰化 与复合铰链运动副关联的任意一个构件上依次增加一个运动副，直到原来的复合铰链运动副只一两个构件关联为止，形成单铰运动链。一般化运动链一般化运动链步骤步骤 2 2：所有运动副转化为一般化（转动）运动副所

5、有运动副转化为一般化（转动）运动副 五十铃五十铃 full-floater 悬挂悬挂b1cefagd1bceagd一般化运动链一般化运动链步骤步骤 2 2：所有运动副转化为一般化（转动）运动副所有运动副转化为一般化（转动）运动副 步骤步骤 3 3：杆件规范化（去除尺度因素）杆件规范化（去除尺度因素）1bceagd一般化运动链一般化运动链11bceagd运动链一般化步骤运动链一般化步骤一般化运动链一般化运动链一般化运动链一般化运动链本田本田 pro-link 悬挂悬挂压榨机压榨机同源机构：具有相同的一般化运动链机构。一般化运动链一般化运动链实例o凸轮连杆机构o颚式破碎机的六杆摆动机构o缝纫机送布

6、机构o牛头刨床机构再生运动链法再生运动链法再生运动链法再生运动链法3. 运动链数综合运动链数综合 综合出与原始一般化运动链的杆数及运动副数相同的全部可能的一般化运动链。 创新本源一般化运动链一般化运动链运动链数综合运动链数综合 平面单自由度闭环机构中，设运动链中的构件数n n和运动副数p，含有 i个运动副元素的构件数为 n ni i，则有23imnnnnn（1） 23232imnninmnp（2） l确定连杆类型确定连杆类型构件能含有的最大运动副元素数目2mn（3） 236nn232314nn2342nn、23imnnnnn23232imnninmnp2mn运动链数综合运动链数综合23imnn

7、nnn23232imnninmnp2mn运动链数综合运动链数综合一般化运动链 拓扑图 所有同源运动链 数综合流程图数综合流程图 两副构件作为连接顶点的边 三副以上构件表示“图”的顶点 图论理论 运动链数综合运动链数综合621345234156拓扑图拓扑图运动链运动链621345运动链数综合运动链数综合拓扑胚图拓扑胚图 三副以上构件表示图的顶点三副以上构件表示图的顶点, ,顶点之间用边连接，每一顶点之间用边连接，每一连接顶点的边代表着一支有二副杆组成的运动链；顶点连连接顶点的边代表着一支有二副杆组成的运动链；顶点连出的边数应该等于代表顶点的构件的运动副数。出的边数应该等于代表顶点的构件的运动副数

8、。运动链数综合运动链数综合B3A3以点的形式插入4，0，0133P 种方案3，1，0236P 种方案2，2，0133P 种方案2，1，1133P 种方案共15种方案运动链数综合运动链数综合B3A3211型B3A3004型B3A3013型B3A3202型拓扑胚图拓扑胚图转化为运动链转化为运动链运动链数综合运动链数综合判断有效链判断有效链五杆，F=2刚性链刚性链四杆，F=1运动链数综合运动链数综合B3A3211型B3A3202型STEPHENSONWATT运动链数综合运动链数综合再生运动链法再生运动链法运动链再生运动链再生4.4.运动链特定化运动链特定化 运动链特定化（又称运动链再生）就是根据设计

9、要求和约束分配特定类型的机件和运动副至可行一般化运动链，即对每个非同构的运动链进行机构识别、驱动副识别以及杆组识别以找出符合要求的解 。 设计要求和约束 机件和运动副 注：设计约束是设计者根据对原始机构的分析结合自身的经验与知识来定义 的，这些约束可以是“柔性”的，并可以视不同情况而改变。 本田本田 pro-link 悬挂悬挂五十铃五十铃 full-floater 悬挂悬挂川崎川崎 uni-trak 悬挂悬挂l 必须有一个杆作为机架必须有一个杆作为机架l 必须有一个减震器作为减震元件必须有一个减震器作为减震元件l 必须有一个摆动臂用于与车轮联接必须有一个摆动臂用于与车轮联接l 机架、减震器和摆

10、动臂必须为不同构件机架、减震器和摆动臂必须为不同构件确定设计约束确定设计约束运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂机架确认摩托车后悬挂机架 A机架A1机架A2B1机架B2机架B3机架B分配机架没有约束运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂减震器确认摩托车后悬挂减震器 一对二副杆一对二副杆组成的减震器，且减震器不能为机架AA1机架减震器A11机架A2减震器A21运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂减震器确认摩托车后悬挂减震器 一对二副杆一对二副杆组成的减震器，且减震器不能为机架B2机架B3机架机架B1B11减震器减震器B21运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂摆动臂确认摩托车后悬挂摆动臂 摆动臂减震

11、器机架A111摆动臂减震器机架A112摆动臂减震器机架A113减震器A11机架运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂摆动臂确认摩托车后悬挂摆动臂 摆动臂减震器机架A211摆动臂减震器机架A213减震器A21机架减震器机架A212摆动臂运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂摆动臂确认摩托车后悬挂摆动臂 摆动臂减震器机架B111减震器机架摆动臂B112减震器B11机架运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂摆动臂确认摩托车后悬挂摆动臂 减震器摆动臂机架B211减震器机架摆动臂B212B21减震器机架运动链再生运动链再生摆动臂减震器机架摆动臂减震器机架摆动臂减震器机架A111A112A113摆动臂摆动臂减震

12、器机架减震器机架摆动臂减震器机架A211A212A213减震器机架摆动臂摆动臂减震器机架B111B112减震器机架摆动臂减震器摆动臂机架B211B212运动链再生运动链再生再生运动链法再生运动链法再生运动链法再生运动链法5.运动链具体化运动链具体化 a1111摆动臂A1111减震器机架 由于概念方案没有具体尺度支持，需要参考原始机由于概念方案没有具体尺度支持，需要参考原始机构构件和运动副的布置格局和受力特点，再结合设计者自构构件和运动副的布置格局和受力特点，再结合设计者自身知识和经验去绘制与实际使用相符的机构简图。身知识和经验去绘制与实际使用相符的机构简图。减震器具体化减震器具体化摩托车后悬挂

13、机构运动链具体化例摩托车后悬挂机构运动链具体化例1摆动臂A1111减震器机架摆动臂机架具体化机架具体化运动链具体化运动链具体化摆动臂具体化摆动臂具体化摆动臂摩托车后悬挂机构运动链具体化例摩托车后悬挂机构运动链具体化例1运动链具体化运动链具体化调整工作位置调整工作位置摩托车后悬挂机构运动链具体化例摩托车后悬挂机构运动链具体化例1运动链具体化运动链具体化调整构件外形调整构件外形a1111摩托车后悬挂机构运动链具体化例摩托车后悬挂机构运动链具体化例1运动链具体化运动链具体化摆动臂减震器机架A1121摆动臂摩托车后悬挂机构运动链具体化例摩托车后悬挂机构运动链具体化例2减震器具体化减震器具体化机架具体化

14、机架具体化运动链具体化运动链具体化摆动臂具体化摆动臂具体化摆动臂a1121摩托车后悬挂机构运动链具体化例摩托车后悬挂机构运动链具体化例2运动链具体化运动链具体化a1121川崎川崎 uni-trak 悬挂悬挂摩托车后悬挂机构运动链具体化例摩托车后悬挂机构运动链具体化例2调整工作位置调整工作位置调整构件外形调整构件外形运动链具体化运动链具体化方案集方案集34a1121a1111a1131a2111a2121a2131b1111b1121b2111b2121机构创新设计方法机构创新设计方法 再生运动链法再生运动链法二二 再生运动链法设计应注意的问题再生运动链法设计应注意的问题 o1、构件相似性判断o

15、构件相似性定义构件相似性定义两个具有相同运动副数目的构件，两个具有相同运动副数目的构件，若它们与运动链中其它构件的连接关系均相同，则称此若它们与运动链中其它构件的连接关系均相同，则称此两构件相似。两构件相似。o图示六杆运动链，如改变主动件所在的构件，在求一般图示六杆运动链，如改变主动件所在的构件，在求一般化运动链图谱时，可以发现，将主动件装在化运动链图谱时，可以发现，将主动件装在1 1、2 2、3 3、4 4杆上，对于该机构的运动特性没有影响，因此，这些构杆上，对于该机构的运动特性没有影响，因此，这些构件具有相似性。件具有相似性。 o构件平行相似性定义构件平行相似性定义 o运动副数目相同的两构

16、件与其它构件的位置关系相同，运动副数目相同的两构件与其它构件的位置关系相同，则称此两构件平行相似。如图则称此两构件平行相似。如图a a、c c中，构件中，构件1 1和和3 3、构件、构件2 2和和4 4为平行相似，图为平行相似，图b b中，构件中，构件1 1、2 2、3 3平行相似。平行相似。 o构件相似关系继承性定义构件相似关系继承性定义 o在运动链组成结构发生变化的过程中，运动副数目未发在运动链组成结构发生变化的过程中，运动副数目未发生变化的相似构件，在新结构中保持原有的相似关系，生变化的相似构件，在新结构中保持原有的相似关系，这种相似关系的传递性称之为相似关系的继承性。下图这种相似关系的

17、传递性称之为相似关系的继承性。下图给出了相似关系继承性的解释。给出了相似关系继承性的解释。o构件相似关系第一判断规则构件相似关系第一判断规则 o若具有相同运动副数目的两构件，同时分别与两组平行若具有相同运动副数目的两构件，同时分别与两组平行相似构件（或一组相似构件、一组平行构件）相联系，相似构件（或一组相似构件、一组平行构件）相联系，则此两构件相似。则此两构件相似。o构件相似关系第二判断规则构件相似关系第二判断规则 o若两组平行相似构件的两端同时与两组相似构件（或一若两组平行相似构件的两端同时与两组相似构件（或一组相似构件和一个构件）相联接，则此两组平行相似构组相似构件和一个构件）相联接，则此

18、两组平行相似构件彼此相似。件彼此相似。 o2、多级方案筛选 在运动链再生为机构的过程中，出现了大量的机构在运动链再生为机构的过程中，出现了大量的机构型式。为了从中选出最佳的设计方案，需要在运动链再型式。为了从中选出最佳的设计方案，需要在运动链再生机构的过程中，分层次、多角度地对再生机构进行评生机构的过程中，分层次、多角度地对再生机构进行评价，删除那些多余的机构。价，删除那些多余的机构。 因此，应根据设计任务及设计的约束条件，将方案因此，应根据设计任务及设计的约束条件，将方案筛选分解成若干个等级，按照由宽松到严格的顺序排列，筛选分解成若干个等级，按照由宽松到严格的顺序排列，使经过筛选后的方案更接

19、近工程设计要求。这样，一方使经过筛选后的方案更接近工程设计要求。这样，一方面可以获得方案的最优解，另一方面又可以高效地筛选面可以获得方案的最优解，另一方面又可以高效地筛选出不能满足设计要求的方案，提高设计效率。出不能满足设计要求的方案，提高设计效率。三三 再生运动链法创新设计实例再生运动链法创新设计实例 o铰链夹紧机构创新设计铰链夹紧机构创新设计o1、原始机构o图示为一常用的铰链夹紧机构。在该机构中，图示为一常用的铰链夹紧机构。在该机构中，1 1为为机架，机架，2 2和和3 3分别为液压缸和活塞杆，分别为液压缸和活塞杆，5 5为连杆，为连杆，4 4和和6 6为连架杆，其中为连架杆，其中6 6是

20、执行机构，用于夹紧工件是执行机构，用于夹紧工件7 7。 o 2 2、一般化运动链、一般化运动链o按机构一般化原则，将铰链夹紧机构运动简图抽象为按机构一般化原则，将铰链夹紧机构运动简图抽象为一般化运动链。为此，将活塞杆一般化运动链。为此，将活塞杆3 3和液压缸和液压缸2 2以标记为以标记为P P的二级组代替，并释放固定杆的二级组代替，并释放固定杆1 1，由此得到铰链夹紧机，由此得到铰链夹紧机构的一般化运动链，如下图所示。构的一般化运动链，如下图所示。o3、一般化运动链图谱o应用机构数目综合理论，可以得到与一般化运动链的杆应用机构数目综合理论，可以得到与一般化运动链的杆数、运动副相同的全部可能的运

21、动链图谱。在得到一般数、运动副相同的全部可能的运动链图谱。在得到一般化运动链之后，可以从运动链图谱中查得所需的一般化化运动链之后，可以从运动链图谱中查得所需的一般化运动链图谱。运动链图谱。o对于图对于图4-194-19所示的六杆七副单自由度运动链，可得到图所示的六杆七副单自由度运动链，可得到图示的四种一般化运动链图。示的四种一般化运动链图。 o4 4、特定化运动链图谱、特定化运动链图谱o1. 1. 铰链夹紧机构的设计要求铰链夹紧机构的设计要求o1)1)连杆总数和运动副总数均保持不变。连杆总数和运动副总数均保持不变。o2)2)必须含有必须含有1 1个液压缸。个液压缸。o3)3)必须有必须有1 1

22、个固定杆，即机架。个固定杆，即机架。o4)4)液压缸必须与机架连接，或本身作为机架。液压缸必须与机架连接，或本身作为机架。o5)5)活塞杆一端与液压缸组成移动副，另一端不能与固定杆铰接。活塞杆一端与液压缸组成移动副，另一端不能与固定杆铰接。o2.2.设计步骤设计步骤o1)1)选固定杆的一端与液压缸铰接，或者将液压缸本身在作为固定杆。选固定杆的一端与液压缸铰接，或者将液压缸本身在作为固定杆。o2)2)使活塞杆的一端与液压缸组成移动副，但另一端不能与固定杆相连。使活塞杆的一端与液压缸组成移动副，但另一端不能与固定杆相连。o3)3)选选1 1个双副杆作为执行件，它不能与活塞杆相连，但必须与固定杆铰个

23、双副杆作为执行件，它不能与活塞杆相连，但必须与固定杆铰连。连。 o设以设以G G表示固定杆，表示固定杆，E E表示执行件，表示执行件，C C表示活塞杆，表示活塞杆，P P表示表示由液压缸与活塞组成的移动副，则由图由液压缸与活塞组成的移动副，则由图4-20a4-20a再生出下图再生出下图所示的所示的6 6种再生运动链。种再生运动链。o由图由图4-20b4-20b再生出下图所示的再生出下图所示的4 4种再生运动链。种再生运动链。o由图由图4-20c4-20c再生出下图所示的再生出下图所示的1010种再生运动链。种再生运动链。o由图由图4-20d4-20d再生出右图所示的一种再生出右图所示的一种 再

24、生运动链。再生运动链。o飞机起落架的再生设计o缝纫机送布机构的再生设计原始机构一般化运动链确定设计约束组合运动链再生运动链再生机构机构选型与综合机构选型与综合 机构创新设计方法机构创新设计方法o机构选型机构选型 先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功能特性和原动机的形式。满足各种运应考虑机构的功能特性和原动机的形式。满足各种运动要求的现有机构及机构性能可从机构手册或相关资动要求的现有机构及机构性能可从机构手册或相关资料中查阅获得，表料中查阅获得，表3-13-1给出了部分按执行构件运动形式给出了部分按执行构件运动形式分类的机构及应用实例

25、，供机构选型时参考。常用原分类的机构及应用实例，供机构选型时参考。常用原动机的运动形式及性能特点见表动机的运动形式及性能特点见表3-23-2。 实现同一功能或运动形式要求的机构可以有多种实现同一功能或运动形式要求的机构可以有多种类型，选型时应尽可能将现有的各种机构搜索到，然类型，选型时应尽可能将现有的各种机构搜索到，然后根据机构选型原则进行分析、比较，初步选出一些后根据机构选型原则进行分析、比较，初步选出一些所需机构类型，再对这些机构方案进行综合评价，选所需机构类型，再对这些机构方案进行综合评价，选出最优方案。出最优方案。 o牛头刨床刨刀往复运动机构的初选方案牛头刨床刨刀往复运动机构的初选方案

26、 序号序号评价指标评价指标具体项目具体项目1 1运动性能运动性能1 1运动规律、运动轨迹；运动规律、运动轨迹；2 2运转速度、传动运转速度、传动精度精度2 2工作性能工作性能 1 1效率高低；效率高低；2 2使用范围使用范围3 3动力性能动力性能 1 1承载能力；承载能力；2 2传力特性；传力特性；3 3振动、噪声振动、噪声4 4经济性经济性1 1加工难易；加工难易；2 2维护方便性；维护方便性；3 3能耗大小能耗大小5 5结构紧凑结构紧凑 1 1尺寸；尺寸；2 2重量；重量；3 3结构复杂性结构复杂性 通常对机构方案应从运动性能、工作性能、动力通常对机构方案应从运动性能、工作性能、动力性能等

27、方面进行综合评价。性能等方面进行综合评价。机构方案评价指标机构方案评价指标 典型机构的评价典型机构的评价评价指标评价指标具体项目具体项目评价评价连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构运动性能运动性能1.1.运动规律、运动轨迹运动规律、运动轨迹任意性较差任意性较差基本能任意基本能任意一般作定比传动一般作定比传动2.2.运转速度、传动精度运转速度、传动精度较低较低较高较高高高工作性能工作性能1.1.效率高低效率高低一般一般一般一般高高2.2.使用范围使用范围较大较大较小较小较小较小动力性能动力性能1.1.承载能力承载能力较大较大较小较小较大较大2.2.传力特性传力特性一般一般一般一般较好